KR20150006820A - 토션 바를 포함하여 이루어지는, 회로 차단기의 접점을 작동시키기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

고정 접점과 가동 접점, 가동 접점을 구동하는 강체 구동 샤프트(8), 가동 접점을 구동하기 위한 제 1 탄성 수단, 및 구동 샤프트를 구동하기 위한 토션 바(2)를 포함하여 이루어지며, 토션 바(2)는 회로 차단기의 접점 개방 초기 동안에 탄성 수단을 보조하기 위해 비틀어질 수 있다.
토션 바(2)는 구동 샤프트(8) 내에 수용된다.
토션 바(2)의 제1단부(4)는 링(10)과 회전 가능하게 접속되며, 토션 바(2)의 제2단부(6)는 구동 샤프트(8)와 회전 가능하게 접속된다.

Description

토션 바를 포함하여 이루어지는, 회로 차단기의 접점을 작동시키기 위한 장치{DEVICE FOR ACTUATING THE CONTACTS OF A CIRCUIT BREAKER, COMPRISING A TORSION ROD}

본 발명은 고전압 또는 중전압 회로 차단기(high or medium voltage circuit breaker)의 접점을 작동시키기 위한 액츄에이터 장치(actuator device)에 관한 것이다.

회로 차단기는 고정 접점과 가동 접점을 포함하여 구성되며, 액츄에이터 장치는 가동 접점을 구동하는 강체 구동 샤프트(rigid drive shaft)와, 가동 접점을 구동하기 위한 탄성 수단과, 구동 샤프트를 구동하기 위한 토션 바를 포함하여 구성되고, 토션 바는 회로 차단기의 접점을 개방하는 초기(initial period) 동안에 탄성 수단을 보조하기 위해 비틀림 변형되기에 적합하다.

가스 절연 변전소에 배치되는 회로 차단기는 액츄에이터 장치를 구비한다. 액츄에이터 장치는 회로 차단기의 가동 접점을 개방하고 폐쇄하는데에 요구되는 에너지와 토크를 전달한다. 회로 차단기는 유압 액츄에이터 기구(hydraulic actuator mechanism) 또는 공압 액츄에이터 기구(pneumatic actuator mechanism) 중 어느 하나를 사용하며, 실제로는 스프링 기구(spring mechanism)를 사용한다. 본 발명은 스프링 기구에 관한 것이다.

본 발명은 특히 가스 절연형 스위치(gas-insulated switch)에 사용하기 위해 개발되었다. 그렇지만 본 발명의 용도가 가스 절연형 회로 차단기로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 또, 공기 절연형 회로 차단기, 예컨대 "접지 탱크(dead tank)"형 또는 "충전 탱크(live tank)"형 회로 차단기에 적용되어도 된다. 게다가 본 발명은 실내에서 사용하기 위한 스위치와 야외에서 사용하기 위한 스위치에 대해 똑같이 양호하게 적용된다.

특허문헌 GB 897 370은 제1스프링 및 토션 스프링(torsion spring)의 조합을 사용하는 스프링 액츄에이터 기구를 설명한다. 그것은 스프링과 연결된 크랭크샤프트, 로스트-모션 연결 기구(lost-motion coupling mechanism), 및 접점을 갖는다. 토션 스프링은 커넥팅 로드(connecting rod)와, 크랭크샤프트 및 베벨 톱니바퀴(bevel gearwheel)의 핀과, 로스트-모션 연결 기구에 의해 크랭크샤프트와 연결된다.

토션 스프링이 이완되면, 그것이 접점을 폐쇄하고 스프링을 로드한다. 접점 개방을 용이하게 하기 위해, 로스트-모션 연결부는 제1스프링을 비틀림 스트링으로부터 기계적으로 분리한다. 크랭크샤프트는 그 후에, 모션을 토션 스프링에 전달하는 일없이 접점을 개방할 수 있다. 달리 말해, 이 장치는 접점을 개방하고 폐쇄하기 위한 2개의 분리된 스프링을 갖는다. 이들 스프링 중 하나는 접점 개방 작동을 보조하는 한편, 또 다른 스프링은 접점을 폐쇄하는데에 요구되는 에너지를 전달한다. 다른 말로, 두 스프링은 가동 접점을 작동시키기 위해 함께 작용하지 않는다. 따라서 이 특허문헌에 기재된 장치는 회로 차단기의 접점 간 거리에 따른 에너지 또는 토크를 나타내는 커브를 최적화하기 위해 조합된 스프링을 개시하지 않는다. 게다가 이 특허문헌에 도시된 토션 스프링은 헬리컬 스프링이다. 이 타입의 스프링은 그것이 크랭크샤프트 및 로스트-모션 연결부로부터 분리되어 있는 하우징을 갖기 때문에 간결성 관점에서 최적화되어 있지 않다. 토션 스프링은 2개의 베벨 톱니바퀴에 의해 로스트-모션 연결부와 기계적으로 접속되어 있다. 달리 말해, 이 장치는 많은 부품을 갖는다. 기술적 관점에서, 이것은 제작하기에 복잡하다.

또한, 강제 토션 바(steel torsion bar)가 회로 차단기 내에서 접점을 분리시키는데에 보조하는 장치가 GB 696 142에 의해 알려져 있다. 이 장치에서, 토션 바는 개방 작동 개시시에 최대 토크를 가한다. 개시된 장치는 탄력이 있는 토션 레버에 대해 대칭적으로 배치되어 있는 2개의 토션 바를 갖는다. 레버는 강제 토션 바를 로딩(loading) 및 언로딩(unloading) 하기 위해 사용되며, 이것은 2개의 접촉 수립 레버(contact-raising lever) 사이에 배치되어 있다. 개방 작동 초기 동안에, 강제 토션 바는 접촉 수립 레버를 통해 부가적인 토크를 가한다. 이렇게 해서 그것들은 가동 접점을 회로 차단기로부터 분리시킨다.

각각의 토션 바는 동축으로(coaxially) 토션 튜브에 의해 둘러싸여 있다. 토션 바와 토션 튜브는 토션 스프링 레버에 의해 탄성적으로 비틀림 변형될 수 있다. 이러한 목적에서, 각각의 토션 튜브는 토션 스프링 레버에 대한 회전이 방지된다. 게다가 각각의 토션 바는 그것이 둘러싸는 토션 튜브에 대해 말단부(distal end)에서의 회전이 방지된다.

토션 바가 토션 스프링 레버에 의해 인장 하에 놓이면, 그것은 말단부에 작용하여 토크의 일부를 토션 튜브에 전달한다. 따라서 토션 스프링은 말단부에서 인장 하에 놓이며 또 지지 요소에 대한 회전이 방지된다. 이 장치는 2개의 토션 바와 2개의 토션 튜브를 갖는다. 따라서 부품 수가 많아 신뢰도를 떨어뜨린다. 신뢰도는 스프링 액츄에이터 장치에서 매우 중요하다. 각각의 부가적인 부품은 부가적인 고장의 위험을 나타낸다.

게다가 토션 튜브와 토션 바는 합성 토션 스프링처럼 작용한다. 스프링은 이하의 세 위치에서 회전이 방지될 필요가 있다.

ㆍ 토션 스프링은 지지 요소에 대한 회전이 방지되어야 한다.

ㆍ 각각의 토션 바는 말단부에서 토션 튜브에 대한 회전이 방지된다.

ㆍ 마지막으로 각각의 토션 바는 토션 스프링 레버에 대한 회전이 방지된다.

2개의 합성 토션 스프링 장치가 있다는 것은 비틀림 인장(twisting tension)을 받는 요소 사이의 여섯 군데에서 회전이 방지될 필요가 있다는 것을 의미한다. 이들 6개의 요소 각각이 작동하지 않으면, 고장의 위험은 높아진다.

브레이크처럼 작용하는 로스트-모션 요소(lost-motion element)도 JP 10 241510로 알려져 있다. 회전 원통체는 환상 실린더(annular cylinder)로 둘러싸여 있다. 환상 실린더는 외주(outer perimeter)를 따라서 복수의 오리피스(orifice)를 갖는다. 원호 모양의 간극(clearance)이 환상 실린더 내에 제공되어 있다. 그것은 부채꼴 형상이다. 원통형 회전체의 외측에 장착된 피스톤은 원호 모양의 원통형 간극 안으로 관통된다. 오리피스는 원호 모양의 간극으로부터 환상 실린더의 외측으로 유체의 흐름을 배출하는 것을 용이하게 한다.

원통형 회전체가 시계 반대 방향으로 회전하면, 피스톤이 원호 모양의 간극으로부터 오리피스를 통해 유체를 배출한다. 오리피스의 직경은 원호 모양의 간극으로부터 배출되는 유체의 흐름(stream)이 제한되도록 조정된다. 따라서, 피스톤과 회전체는 제한 속도 이상에서 작동할 수 없어 장치가 브레이크처럼 작용한다. 이 장치는 작동 유체(working fluid)를 받아들이기 위한 저장 용기를 필요로 한다. 게다가, 장치가 브레이크처럼 작용한다는 사실에 의해 최대 속도는 회로 차단기의 고정 접점과 가동 접점 사이에서 달성되지 못한다.

본 발명은 2 사이클 회로 차단기의 접점을 작동시키기 위한 액츄에이터 장치를 개발하는 데에 있는 문제를 해결한다. 60헤르츠(㎐)로 작동하는 네트워크에서의 고전압 회로 차단기는 2 사이클 내에 결함을 해소하도록 종종 요구받기 때문에, 차단 시간(break time)은 33.3밀리초(㎳)로 제한되어야만 한다. 60㎐ 결함을 성공적으로 해소하기 위해, 접점(contact)들의 상대 속도(relative speed)는 회로 차단기 내에서 최대가 되어야만 한다.

더 정확히, 접점 간 상대 속도는 회로 차단기 내에서 접점들이 분리되는 순간에 접점들 사이에 나타나는 아크(arc)를 소멸시키는데 결정적이다. 따라서 본 발명의 목적 중 하나는 고정 접점과 가동 접점 사이의 상대 속도를 접점들이 분리되는 순간에 최적화하는 것이다.

본 발명의 목적 중 다른 하나는 스프링에 저장되는 에너지량을 최소화하는 접점 작동용 액츄에이터 장치를 제공하는 것이다. 다른 말로, 회로 차단기의 고정 접점과 가동 접점의 모든 상대 위치(relative position)에 대한 에너지 및 토크가 될 수 있는 한, 이상 곡선(ideal curve)에 가까워야 한다. 이 에너지 곡선에 대한 최적 조건(optimum)은 접점 간 거리에 대해 아크를 소멸시키는 목적으로 정해진다.

또 다른 특징에 따르면, 액츄에이터 장치는 또한 소형(compact)이어야 한다. 따라서 본 발명이 기초를 두고 있는 또 다른 과제는 최소화된 치수의 액츄에이터 장치를 제안하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이들 목적은, 토션 바가 구동 샤프트 내에 수용되고, 토션 바의 제1단부가 링과 회전할 수 있도록 구속되며, 토션 바의 제2단부가 구동 샤프트와 회전할 수 있도록 구속되고, 하나의 구동 샤프트와 하나의 토션 바만 있다는 사실에 의해 달성된다.

이들 특징에 의해, 본 장치는, 특허문헌 GB 696 142에 개시된 장치와 달리, 토션 바를 하나만 갖는다. 따라서 부품 수가 줄고, 그 결과, 장치의 복잡성이 감소한다. 게다가 토션 바는 각각의 단부에서 회전이 방지되는데, 각각의 단부는, 특허문헌 GB 696 142에서의 6개의 그러한 연결부와 비교되는 것처럼, 회전을 방지하는 2개의 연결부에 해당한다. 또한, 토션 바가 구동 샤프트 내에 수용된다면, 장치의 물리적 사이즈는 줄어든다. 따라서 액츄에이터 장치는 소형이라는 것이 달성된다. 일반적으로, 탄성 수단은 하나 이상의 헬리컬 스프링으로 구성된다.

액츄에이터 장치는, 2개의 맞댐 요소와 상기 링, 각도를 이루도록 서로 떨어져 있으면서 링에 고정된 2개의 피스톤으로 구성되어 있는 로스트-모션 요소를 포함하며, 피스톤은 샤프트가 회전하는 동안에 맞댐 요소와의 맞댐을 이루기에 적합한 것이 유리하다.

특정 실시예에서, 본 발명의 액츄에이터 장치는, 체인에 견인력을 가하기에 적합한 레버를 포함함으로써, 헬리컬 스프링을 압축한다.

본 발명의 다른 특징과 이점은, 첨부 도면을 참조하여 묘사하는 방식으로 주어진 실시예에 대한 이하의 설명을 읽음으로써 더 분명해진다.

도면에서,
도 1은 회로 차단기의 접점을 작동시키기 위한 본 발명에 따른 액츄에이터 장치를 부분적으로 절단하여 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 회로 차단기의 접점을 작동시키기 위한 장치를 다른 각도로 나타내는 사시도이다.
도 3은 구동 샤프트의 각도 위치에 따른 접점-작동 토크를 나타내는 그래프이다.

도 1은 고전압 또는 중전압 회로 차단기의 접점을 작동시키기 위한 액츄에이터 장치를 나타낸다. 이 액츄에이터 장치는 토션 바(2)를 포함한다. 토션 바(2)는 작은 직경의 중앙부와, 큰 직경의 제1단부(4) 및 제2단부(6)를 갖는다. 토션 바(2)는 구동 샤프트(8)의 내부에 수용된다. 토션 바(2)의 제2단부(6)는 예를 들면 홈(fluting)이나 치형부(teeth)에 의해, 구동 샤프트(8)에 대한 회전이 방지되어 있다. 또 다른 회전 방지 수단으로서, 예를 들면 키(key) 또는 핀이 사용될 수 있다. 토션 바는 제1단부(4)에서 링(10)에 대한 회전이 방지되어 있다.

토션 바(2)와 구동 샤프트(8)는 일점쇄선으로 도시된 축선(axis)(12)에 대해 동축이다.

토션 바의 제1단부(4)는 중앙부와 함께 구동 샤프트(8)의 내부에서 회전할 수 있다. 토션 바(2)는 비틀림 변형될 수 있다. 이에 반해, 구동 샤프트(8)는 강체이다. 구동 샤프트는 비틀림 변형되지 않는다. 그렇지만, 구동 샤프트는 종방향 축선(12) 둘레로 회전할 수 있다.

토션 바(2)의 제1단부(4)에서, 토션 바와 구동 샤프트(8) 사이의 간극은 최소한으로 축소된다. 이 배치의 목적은 구동 샤프트(8)의 회전 축선(12)에 직교하는 방향으로, 토션 바의 제1단부의 모든 운동을 방지하는 것이다. 바꿔 말해, 토션 바의 제1단부(4)는 회전 축선(12) 둘레로 회전만 할 수 있다.

도 2는 로스트-모션 요소를 나타낸다. 로스트-모션 요소는 2개의 정지 요소(14, 16)와 2개의 피스톤(18, 20)을 갖는 링(10)으로 구성되어 있다. 바람직하게는, 피스톤(18, 20)이 링(10)과 일체로 제작된다. 맞댐 요소(14, 16)는 피스톤(18, 20)과 함께 회전 축선(12)에 대해서 대칭적으로 배치되어 있다. 본 발명에 따라, 링(10)은 토션 바(2)의 제1단부(4)와 회전하도록 구속되어 있다. 따라서, 피스톤(18, 20)도 토션 바(2)에 대해 회전하도록 구속되어 있다. 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로의 링(10)의 피스톤(18, 20)의 회전은 맞댐 요소(14, 16)의 맞댐에 의해 제한된다. 맞댐 요소(14, 16)는 접점을 작동시키기 위한 장치의 하우징에 단단히 결합되어 있어, 움직이지 않는다. 피스톤(18, 20)이 도 2에 도시된 상태에 있을 때, 피스톤의 반경 방향 표면은 맞댐 요소(14, 16)의 반경 방향 표면과 접촉을 이룬다.

도 1을 한번 더 참조하여, 도면 부호 22는 레버를 나타낸다. 이 레버는 구동 샤프트(8)와 피벗팅하지 않는 방식(non-pivoting manner)으로 결합되어 있다. 레버(22)가 회전하면, 구동 샤프트(8)와 토션 바(2)의 제2단부(6)가 같은 방향으로 회전한다. 2개의 베어링(24), 예를 들면 볼 베어링은, 액츄에이터 장치의 하우징에 대한 상기 조립체의 회전 운동을 용이하게 한다.

도 2를 지금부터 참조하여, 액츄에이터 장치는 스프링을 가진 하우징(26)을 포함한다. 스프링의 일단부는 봉(28)에 고정되어 있다. 봉(28)의 타단부는 체인(30)에 고정되어 있다. 체인(30)은 회전 운동 가능한 2개의 휠(32, 34)을 지나간다. 체인의 타단부, 즉, 봉(28)에 고정되어 있지 않고 또한 도면 부호 36이 주어진 단부는 연결 장치(attachment)(38)에 고정되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 맞댐 요소(14, 16)에 대한 피스톤(18, 20)의 자세는 토션 바(2)도 하우징(26)에 수용된 헬리컬 스프링도 로드되지 않은 것을 나타낸다. 토션 바(2)와 하우징(26)에 수용된 헬리컬 스프링을 로드(load)하기 위해, 레버(22)와 구동 샤프트(8)가 시계 반대 방향으로 회전된다. 레버(22)가 체인(30)의 상단부를 오른쪽(도 2에서)으로 잡아당김으로써, 하우징(26)에 들어 있는 헬리컬 스프링을 압축한다.

동시에, 피스톤(18, 20)이 시계 반대 방향으로 회전한다. 피스톤은, 피스톤의 반경 방향 표면이 맞댐 요소(14, 16)와 접촉할 때까지 회전을 계속한다. 일단 피스톤(18, 20)이 최종 위치에 도달하면, 피스톤은 더 이상 회전을 계속할 수 없다. 그러나 레버(22)와 구동 샤프트(8)는 시계 반대 방향으로 회전을 계속한다. 토션 바(2)의 제1단부(4)는 그 후에, 피스톤(18, 20)과 맞댐 요소(14, 16) 사이의 맞물림에 의해 방해받는다.

따라서 토션 바(2)의 제2단부(6)의 시계 방향으로의 계속 회전은 토션 바(2)를 비틀림 변형시킨다. 바꿔 말하면, 토션 바(2)가 로드된다. 피스톤(18, 20)이 맞댐 요소(14, 16)와 접촉하면, 레버는 일반적으로, 토션 바가 완전히 로드될 때까지 10° 내지 40°의 각도 범위에서 회전을 계속한다.

토션 바(2)와 하우징(26)에 수용된 헬리컬 스프링은, 액츄에이터 기구가 회로 차단기의 가동 접점을 작동시키도록, 이완할 필요가 있다. 이것이 일어나면, 레버(22)는 시계 방향으로 회전한다. 피스톤(18, 20)이 맞댐 요소(14, 16)와 접촉하는 동안, 토션 바(2)가 구동 샤프트(8)에 부가적인 토크를 가한다. 10° 내지 40°범위의 각도로 회전한 후, 이들 피스톤(18, 20)은 더 이상 맞댐 요소(14, 16)와 접촉하지 않는다. 토션 바(2)는 더 이상 구동 샤프트(8)를 구동하지 않는다. 하우징(26)에 들어 있는 헬리컬 스프링만 토크 전달을 계속한다.

도 3은 구동 샤프트의 각도 위치에 따른 토크를 나타낸다. 커브(40)는 토션 바(2)에서 비롯된 부가적인 토크를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 토션 바는 0° 내지 20° 범위에 있는 구동 샤프트의 각도 위치에 대한 부가적인 토크를 전달한다. 이 범위는 접점이 회로 차단기 내에서 가속되고 있는 동안의 구동 샤프트(8)의 각도 위치를 포함한다. 이렇게 하여, 본 발명은 상술한 바와 같이, 접점이 떨어지는 순간에 회로 차단기의 접점 간 상대 속도를 최적화하는 데에 있는 문제를 해결한다. 도시된 예에서, 토션 바(2)는 20°를 넘는 구동 샤프트(8)의 각도 위치에 대해 어떤 부가적인 토크도 전달하지 않는다.

커브(42)는 하우징(26)에 수용된 헬리컬 스프링에 의해 그대로 전달된 토크를 나타낸다. 토션 바에 의해 전달된 토크와 달리, 하우징(26)에 수용된 헬리컬 스프링은 구동 샤프트(8)의 각도 위치의 전 범위에 걸쳐 토크를 전달한다. 달리 말해, 구동 샤프트(8)의 각도 위치에 따라 하우징(26)에 수용된 헬리컬 스프링에 의해 전달된 토크를 나타내는 커브(curve)는 0° 내지 60° 범위에 걸쳐 연속하는 커브이다. 커브(44)는 하우징(26)에 수용된 헬리컬 스프링과 토션 바(2)에 의한 기여분의 총계를 나타낸다. 토션 바(2)에 의해 전달된 힘 때문에, 이 커브는 20°를 넘는 각도 위치에 대해서보다 0° 내지 20° 범위에 있는 각도 위치에 대해 더 가파른 기울기를 나타낸다. 전체 토크는 회로 차단기의 접점 간 거리에 따른 토크에 대한 최적 커브에 가깝다. 커브(42)의 밑 부분이 커브(44) 위에 겹쳐져 있어, 이들이 도 3에서는 구별될 수 없다.

따라서, 본 발명은 향상된 유효성을 나타내는 고전압 또는 중전압 회로 차단기의 접점을 작동시키기 위한 액츄에이터 장치를 제공한다. 토션 바(2)는 부가적인 토크를 개방 작동의 개시시에만 전달하므로, 하우징(26) 내에 수용된 헬리컬 스프링에 의해 전달된 토크는 더 작아질 수 있다. 그 결과, 액츄에이터 장치에 저장되는 총 에너지는 토션 바를 포함하지 않는 해결책과 비교하여 50% 정도까지 감소할 수 있다.

Claims (4)

1. 하나 이상의 가동 접점(movable contact)을 갖는 고전압 또는 중전압 회로 차단기(circuit breaker)의 접점을 작동시키는 액츄에이터 장치(actuator device)에 있어서,
   상기 장치는 가동 접점을 구동하는 강체 구동 샤프트(rigid drive shaft)(8)와, 가동 접점을 구동하기 위한 탄성 수단과, 구동 샤프트를 구동하기 위한 토션 바(2)를 포함하여 이루어지며,
   상기 토션 바는 회로 차단기의 접점을 개방하는 초기(initial period) 동안에 탄성 수단을 보조하기 위해 비틀림 변형되기에 적합하고,
   상기 장치는 상기 토션 바(2)가 구동 샤프트(8) 내에 수용되며, 토션 바(2)의 제1단부가 링(10)과 회전할 수 있도록 구속되고, 토션 바(2)의 제2단부(6)가 구동 샤프트(8)와 회전할 수 있도록 구속되며, 또한 하나의 구동 샤프트(8)와 하나의 토션 바(2)만 있는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.
2. 제1항에 있어서,
   탄성 수단은 하나 이상의 헬리컬 스프링(helical spring)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   2개의 맞댐 요소(abutment element)(14, 16)와 상기 링(10), 각도를 이루도록 서로 떨어져 있으면서 링(10)에 고정된 2개의 피스톤(18, 20)으로 구성되는 로스트-모션 요소(lost-motion element)를 포함하며,
   피스톤(18, 20)은 구동 샤프트(8)가 회전하는 동안, 맞댐 요소(14, 16)와의 맞댐을 이루기에 적합한 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   체인(30)에 견인력을 가하기에 적합한 레버(22)를 포함함으로써, 헬리컬 스프링을 압축하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.

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